巖層移動模擬及頂板壓力監測實驗教學系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種采礦工程專業學生實驗教學系統及方法，一種巖層移動模擬及頂板壓力監測實驗教學系統及方法。
【背景技術】
[0002]礦山壓力下巖層的移動規律的教學主要通過課堂講授及實驗室的模擬，實驗室模擬一般采用相似材料的模擬實驗。相似模擬實驗是以相似理論為基礎，利用事物或現象間存在的相似或類似特征來研究自然規律的一種方法。在礦業工程領域相似模擬實驗用來研究礦山壓力及巖層活動規律。對于采用相似模擬實驗，需要根據各巖層情況首先鋪設相似材料模型，待模型晾干后再對模型進行模擬開挖，以取得相似條件下的巖層移動及礦山壓力規律。但開挖相似模擬模型無法重復利用，這種教學方法既費時、費力，同時成本較大，浪費嚴重。
[0003]隨著礦井信息化及數字化的發展，礦山壓力的監測手段也有了很大的提升。目前，礦山壓力在線監測系統已在各礦井大力使用。礦山壓力在線監測系統通過壓力監測分站對工作面支架立柱的油壓進行在線監測、記錄及傳輸，通過計算機進行數據的采集及分析。隨著煤礦信息化的發展，工作面頂板壓力在線監測系統已成為現代化礦井必不可少的一部分，同時煤炭企業對采礦工程學生提出了相應的能力要求，但由于頂板在線監測系統成本高，學生只有在現場實習時才能接觸到，無法掌握其使用。
【發明內容】
[0004]本發明目的在于提供一種巖層移動模擬及頂板壓力監測實驗教學系統及方法，解決現有教學方法費時、費力，成本大，浪費嚴重的問題。
[0005]為達到上述目的，本發明的實驗教學系統技術方案，包括:模擬液壓支架、支架前立柱、支架后立柱、彈簧、模擬直接頂、模擬基本頂、模擬采空區矸石、第一手動栗、第二手動栗、液壓栗和液壓油缸；在模擬液壓支架上連接支架前立柱和支架后立柱，在支架前立柱和支架后立柱上部套接有彈簧，在支架前立柱和支架后立柱上端有模擬直接頂和模擬基本頂，在支架后立柱的一側有模擬采空區矸石；液壓油缸連接在彈簧和模擬直接頂之間，液壓油缸與液壓栗連接；支架前立柱和支架后立柱分別與第二手動栗和第一手動栗對應連接；在支架前立柱與第二手動栗和支架后立柱與第一手動栗之間有輸出與監測分站連接，監測分站與監測主站連接，監測主站通過通訊口與計算機連接。
[0006]模擬液壓支架為四立柱液壓支架，兩個前立柱均由手動栗提供壓力來實現升柱、降柱，兩個后立柱均由手動栗提供壓力來實現升柱、降柱；用來模擬采煤工作面液壓支架，實現支架的升柱及降柱功能；模擬液壓支架四個立柱頂部都安裝有彈簧，用來協調完成支架前后立柱不同變形的要求。
[0007]模擬液壓支架頂部安裝有液壓油缸，通過液壓栗來實現液壓油缸的升降來模擬采煤工作面的頂板來壓。
[0008]在模擬液壓支架頂部安裝有模擬直接頂及模擬基本頂的木板；模擬基本頂的三塊木板間采用雙頭螺栓連接，在保證塊體間的連接及回轉，模擬巖層頂板的模擬直接頂、模擬基本頂安裝在模擬液壓支架上方，隨模擬液壓支架的升降，巖層頂板也出現相應的破斷及回轉；模擬直接頂和模擬基本頂，用來模擬采煤工作面的直接頂及基本頂，實現基本頂的破斷及回轉。
[0009]第一手動栗和第二手動栗，為模擬支架的立柱提供油壓，提供模擬液壓支架支護頂板的初撐力。
[0010]液壓栗，為模擬液壓支架頂部液壓油缸提供油壓，模擬工作面頂板來壓。
[0011]將模擬支架前柱油管連接至壓力監測分站的Pl 口，將模擬支架后柱油管連接至壓力監測分站的P2 口 ；壓力監測分站同監測主站間采用電纜連接，連接主站的直流穩壓電源為主站及分站提供電能；主站同通訊分站間采用電纜連接，通訊分站同計算機通過RS232接口連接。
[0012]頂板壓力監測分站、壓力監測主站、數據通訊分站及計算機，對模擬液壓支架的前后立柱油壓進行在線監測，實現數據的采集、記錄及分析。
[0013]教學方法技術方案，包括如下步驟:
[0014]步驟1:連接系統的各油路，連接在線監測系統的電源、電纜及計算機；
[0015]步驟2:檢查系統各環節是否安全可靠，確認實驗前準備無誤；
[0016]步驟3:分別順序開啟計算機、壓力在線監測通訊分站、直流穩壓電源，調節直流穩壓電源輸出電壓穩定在18V，打開在線監測系統數據采集軟件，保證數據采集可靠；
[0017]步驟4:分別用第一手動栗、第二手動栗對模擬液壓支架前立柱、支架后立柱加壓，模擬液壓支架升架工序，確保液壓支架初撐力達到3Mpa ;
[0018]步驟5:啟動液壓栗對液壓油缸漸漸加壓，模擬工作面頂板來壓，確保液壓油缸最終壓力不超過5Mpa ；
[0019]步驟6:分別觀察記錄頂模擬直接頂、模擬基本頂在來壓情況下的運動規律；
[0020]步驟7:監測記錄實驗全過程中模擬支架前立柱、支架后立柱的壓力變化，分析工作面液壓支柱的壓力變化規律；
[0021]步驟8:緩緩卸載液壓栗加壓，同時對第一手動栗、第二手動栗卸壓，模擬液壓支架的降架；
[0022]步驟9:實驗結束，順序關閉直流穩壓電源、壓力監測通訊分站及計算機。
[0023]有益效果，由于采用了上述方案，通過模擬支架的運動，帶動起上方模擬巖層的移動，直觀的展示出煤炭開采中巖層移動規律，并直觀的展現出液壓支架及圍巖的相互作用關系。通過對模擬支架上方液壓油缸的加載，模擬工作面來壓，并對模擬支架立柱的油壓進行在線監測，使學生掌握頂板壓力在線監測的方法及數據的處理。直觀的反應采煤工作面巖層移動規律，以及采煤工作面液壓支架與圍巖的相互作用關系。
[0024]優點:能夠實現采煤工作面頂板巖層移動規律的直觀顯現；能夠實現液壓支架與圍巖作用關系的直觀顯現；能夠實現綜采工作面頂板壓力在線監測的模擬實驗。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明系統整體結構圖。
[0026]圖2是本發明的模擬液壓支架結構圖。
[0027]圖3為圖2的側視結構圖。
[0028]圖中:1、模擬液壓支架；2、支架前立柱；3、支架后立柱；4、彈簧；5、模擬直接頂；
6、模擬基本頂；7、模擬采空區矸石；8、第一手動栗；9、第二手動栗；10、液壓栗；11、液壓油缸。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖對本發明的一個實施例作進一步的說明:
[0030]本發明的實驗教學系統技術方案，包括:模擬液壓支架1、支架前立柱2、支架后立柱3、彈簧4、模擬直接頂5、模擬基本頂6、模擬采空區矸石7、第一手動栗8、第二手動栗9、液壓栗10和液壓油缸11 ;在模擬液壓支架I上連接支架前立柱2和支架后立柱3，在支架前立柱2和支架后立柱3上部套接有彈簧4，在支架前立柱2和支架后立柱3上端有模擬直接頂5和模擬基本頂6，在支架后立柱3的一側有模擬采空區矸石7 ;液壓油缸11連接在彈簧4和模擬直接頂5之間，液壓油缸11與液壓栗10連接；支架前立柱2和支架后立柱3分別與第二手動栗9和第一手動栗8對應連接；在支架前立柱2與第二手動栗9和支架后立柱3與第一手動栗8之間有輸出與監測分站連接，監測分站與監測主站連接，監測主站通過通訊口與計算機連接。
[0031]模擬液壓支架I為四立柱液壓支架，兩個前立柱2均由手動栗8提供壓力來實現升柱、降柱，兩個后立柱3均由手動栗9提供